魏 彬，王云超，王成志，劉金強(qiáng)

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

懸掛是車架與車橋之間一切傳力連接裝置的總稱，起到緩沖、減震、導(dǎo)向的作用[1]。懸掛系統(tǒng)對于車輛的操縱穩(wěn)定性、平順性以及乘坐舒適性等有著決定性的影響，是整車中不可或缺的組成部分[2]。油氣懸掛即油氣彈簧懸掛，是一種采用油氣彈簧的懸掛裝置，它以氣體作為彈性介質(zhì)，液體作為傳力介質(zhì)，不但具有良好的緩沖能力，還具有減振作用，同時還可調(diào)節(jié)車架的高度，適合重型車輛和大客車使用[3]。

國內(nèi)外關(guān)于油氣懸掛的研究較多,單缸油氣懸掛方面，Joo[4]建立了單缸油氣懸掛的非線性模型，對油氣懸掛缸的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，比較了不同激勵作用下油氣懸掛系統(tǒng)的輸出特性。Moulton等[5]從理論和實驗上對油氣懸掛系統(tǒng)的減振特性展開了充分的分析與驗證。封士彩等[6]通過MATLAB/SIMULINK軟件建立了單缸油氣懸掛系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)仿真模型，并應(yīng)用仿真和試驗相結(jié)合的手段研究了單缸油氣懸掛系統(tǒng)的特性。吳智仁[7]對單缸油氣懸掛特性進(jìn)行了仿真和試驗研究，并建立了不同結(jié)構(gòu)型式油氣懸掛側(cè)傾特性模型。

雙缸油氣懸掛方面，F(xiàn)elez等[8]采用功率鍵合圖法建立了連通式油氣懸掛的非線性數(shù)學(xué)模型，并對油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾特性進(jìn)行了研究。Geoff Rideout等[9]對連通式油氣懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)和靜態(tài)試驗研究，并利用實驗所得的相關(guān)數(shù)據(jù)建立了連通式油氣懸掛慣性數(shù)學(xué)模型、線性與雙線性數(shù)學(xué)模型。Liu等[10]提出左右互連油氣懸掛系統(tǒng)方案，并利用數(shù)值仿真的手段對獨立油氣懸掛系統(tǒng)、帶橫向穩(wěn)定桿的獨立式油氣懸掛系統(tǒng)和互連油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾、垂向剛度以及阻尼特性進(jìn)行了對比與分析。

整車油氣懸掛方面，Dongpu Cao等[11]提出了一種緊湊型互連油氣懸掛系統(tǒng)，并通過仿真分析了該懸掛系統(tǒng)的剛度和阻尼特性。劉剛[12]以不同工況下車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有效協(xié)調(diào)為目標(biāo)，提出了一種互連式油氣懸掛系統(tǒng)，并研究了結(jié)構(gòu)等相關(guān)參數(shù)對其剛度特性及阻尼特性的影響。田文朋等[13]搭建了整車的Simulink/AMESim聯(lián)合仿真模型,進(jìn)行整車聯(lián)合仿真和實際道路試驗研究，并分析對比了仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)心加速度均方根和功率譜密度峰值。

根據(jù)目前檢索的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外并沒有用于測試整車油氣懸掛系統(tǒng)耦合特性的實驗平臺，現(xiàn)有與油氣懸掛相關(guān)的研究大多是從理論和仿真上著手，有些油氣懸掛實驗研究只限于單個或單橋懸掛系統(tǒng)，極少部分的整車油氣懸掛特性測試實驗也只是將車輛進(jìn)行實際道路實驗或?qū)④囕v直接置于振動實驗臺上測試，其實驗車輛的側(cè)傾及俯仰轉(zhuǎn)動軸線并不固定，側(cè)傾、俯仰力矩及相關(guān)特性的分析比較復(fù)雜，不便于油氣懸掛系統(tǒng)整車耦合特性的研究。

因此，本文設(shè)計了整車油氣懸掛系統(tǒng)實驗臺，實驗臺可模擬車輛在轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾運(yùn)動，制動或啟動時的俯仰運(yùn)動和遭遇路面不平時的垂向運(yùn)動等工況，從全方位分析、研究整車懸掛系統(tǒng)的耦合特性。與此同時，實驗臺上設(shè)計的懸掛缸安裝角度調(diào)節(jié)裝置(用于調(diào)節(jié)懸掛缸軸線與水平面之間的夾角)，可用于研究油氣懸掛缸安裝角度對懸掛系統(tǒng)性能的影響。

1 實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 整車油氣懸掛系統(tǒng)實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

整車油氣懸掛系統(tǒng)實驗臺的設(shè)計在滿足模擬車輛側(cè)傾運(yùn)動、俯仰運(yùn)動及垂向運(yùn)動的同時，還需調(diào)節(jié)懸掛缸的安裝角度。方案經(jīng)過多次修改并使用相關(guān)軟件進(jìn)行運(yùn)動仿真，最終確定相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1中1～6為被測油氣懸掛缸(各個懸掛缸之間通過油管與蓄能器相互連接)，懸掛缸上端通過球鉸與車架18連接，下端通過球鉸與滑臺12～17連接；滑臺與底架19連接，滑臺滑塊可沿著其導(dǎo)軌進(jìn)行滑動，進(jìn)而調(diào)整懸掛缸軸線與水平面之間的夾角，即實際車輛中懸掛缸軸線與車輪軸之間的夾角，夾角調(diào)節(jié)范圍為65°～90°；圖1中7～10為激勵液壓缸，其上端通過球鉸與車架連接，下端通過鉸鏈與底架連接，控制各個激勵液壓缸缸桿的伸縮運(yùn)動，從而實現(xiàn)車身在不同工況作用下運(yùn)動的模擬；在實驗臺中心設(shè)計一個導(dǎo)向液壓缸11，導(dǎo)向液壓缸可增強(qiáng)實驗臺的整體穩(wěn)定性，并和激勵液壓缸聯(lián)合使用，起到控制實驗臺運(yùn)動的作用。

1.2 整車油氣懸掛系統(tǒng)實驗臺設(shè)計

將控制設(shè)備及測量儀器與整車油氣懸掛系統(tǒng)實驗臺連接，并按測試要求連接好相應(yīng)油管。啟動油泵，打開相關(guān)油路開關(guān)，通過控制設(shè)備控制4個液壓激勵缸的伸縮，與此同時搖動滑臺手柄，調(diào)節(jié)懸掛缸的安裝角度，使得6個懸掛缸都伸縮到中間行程位置，然后將全部液壓缸進(jìn)出油口關(guān)閉，并為油氣懸掛缸充油。

車輛轉(zhuǎn)彎時油氣懸掛系統(tǒng)的側(cè)傾運(yùn)動特性如圖2所示。各個字母代表機(jī)構(gòu)連接副的節(jié)點，關(guān)閉激勵液壓缸NO1(即節(jié)點N至節(jié)點O之間所表示的液壓缸，其余同理)、PO3及導(dǎo)向液壓缸QO2的進(jìn)出油口(即液壓缸整體長度保持不變)，控制激勵液壓缸MG和RH的缸桿伸縮，從而使實驗臺車架側(cè)傾。

車輛制動或啟動時油氣懸掛系統(tǒng)的俯仰運(yùn)動特性如圖3所示。關(guān)閉激勵液壓缸MG、RH及導(dǎo)向液壓缸QO2的進(jìn)出油口，控制激勵液壓缸NO1和PO3的缸桿伸縮，實驗臺車架做俯仰運(yùn)動。

車輛遭遇不平路面時油氣懸掛系統(tǒng)的垂向運(yùn)動特性時如圖4所示。打開導(dǎo)向液壓缸QO2的進(jìn)出油口，同步控制激勵液壓缸NO1、PO3、MG和RH的缸桿伸縮，從而達(dá)到使實驗臺車架整體上下平移做垂向運(yùn)動的目的。

實驗測試流程圖如圖5所示。工控機(jī)發(fā)送理想位移信號,伺服放大器對信號進(jìn)行放大,油泵提供壓力油,伺服閥根據(jù)信號控制油路開口度,激勵液壓缸驅(qū)動車架作出相應(yīng)運(yùn)動,油氣懸掛、缸蓄能器和油路控制閥塊等組成的懸掛系統(tǒng)作出響應(yīng),壓力傳感器檢測懸掛缸壓力信號,位移傳感器檢測到懸掛缸實時位移信號(與此同時位移傳感器采集的實時位移反饋到工控機(jī)，和理想位移進(jìn)行比較，作出PID調(diào)節(jié))，根據(jù)采集到的壓力信號和位移信號通過相應(yīng)計算處理，得到整車油氣懸掛系統(tǒng)的特性。

2 仿真建模與分析

依據(jù)實驗平臺的設(shè)計方案，使用ADAMS軟件建立機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)模型，并將相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，以滿足模擬車輛運(yùn)動及調(diào)節(jié)安裝角度的要求。整車油氣懸掛實驗臺的ADAMS模型圖如圖6所示。

根據(jù)李彥晨[14]關(guān)于懸掛缸連通方式對懸掛系統(tǒng)性能影響的研究可知，L3型連通方式的油氣懸掛系統(tǒng)綜合特性較優(yōu)，所以此次仿真中各個懸掛缸間的連通方式選擇L3型，如圖7所示。

使用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)及相關(guān)測試元器件模型，將元器件按要求合理連接、布置，并與ADAMS軟件建立通信模塊。整車油氣懸掛系統(tǒng)AMESim模型如圖8所示，F(xiàn)1至F6為懸掛缸桿輸出力，s1至s6為懸掛缸桿位移，v1至v6為懸掛缸桿運(yùn)動速度，a為車架轉(zhuǎn)角。

根據(jù)設(shè)計及選用的元器件設(shè)置聯(lián)合仿真模型相關(guān)參數(shù)，如表1所示，最后將ADAMS模型與AMESim模型進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)動仿真。

表1 整車油氣懸掛仿真模型參數(shù)

2.1 側(cè)傾特性

設(shè)置ADAMS模型中構(gòu)件的運(yùn)動參數(shù)，使實驗臺車架側(cè)傾轉(zhuǎn)角按照正弦曲線變化，轉(zhuǎn)角幅值為0.05 rad，頻率為2 Hz(車架向右傾斜時轉(zhuǎn)角值為正，向左傾斜時轉(zhuǎn)角值為負(fù))。檢測AMESim中車架側(cè)傾轉(zhuǎn)角a和6個懸掛缸的輸出力F1至F6(圖8已標(biāo)明)，則可通過計算，得到油氣懸掛系統(tǒng)側(cè)傾力矩M(側(cè)傾力矩逆時針為正，順時針為負(fù))為：

M=F1×L1+F3×L3+F5×L5-(F2×L2+F4×L4+F6×L6)。

式中：L1至L6分別為F1至F6相對于轉(zhuǎn)動中軸線的力臂。

懸掛缸安裝角度分別為70°、80°、90°時，車架側(cè)傾轉(zhuǎn)角與車架所受側(cè)傾力矩的關(guān)系圖如圖9所示。從圖9可知，在同一個運(yùn)動周期內(nèi)，由于阻尼孔及油管等產(chǎn)生的阻尼力作用，轉(zhuǎn)角相等時，側(cè)傾力矩不相等;車架的轉(zhuǎn)速方向相同時(即阻尼力方向相同時)，懸掛缸安裝角度越大，其對應(yīng)的側(cè)傾力矩越大。

2.2 俯仰特性

同理，使實驗臺車架俯仰轉(zhuǎn)角按照正弦曲線變化,轉(zhuǎn)角幅值為0.03 rad，頻率為2 Hz(車架向前傾斜時轉(zhuǎn)角值為正，向后傾斜時轉(zhuǎn)角值為負(fù))時，檢測AMESim 中車架側(cè)傾轉(zhuǎn)角和6個懸掛缸的輸出力，則可通過計算得到油氣懸掛系統(tǒng)俯仰力矩M(俯仰力矩逆時針為正，順時針為負(fù))為：

M=F1×L1+F2×L2-(F5×L5+F6×L6)。

懸掛缸安裝角度分別為70°、80°、90°時，車架俯仰轉(zhuǎn)角與車架所受俯仰力矩的關(guān)系圖如圖10所示。從圖10可知，在同一個運(yùn)動周期內(nèi)，由于阻尼孔及油管等產(chǎn)生的阻尼力作用，轉(zhuǎn)角相等時，俯仰力矩不相等;車架的轉(zhuǎn)速方向相同時(即阻尼力方向相同時)，懸掛缸安裝角度越大，其對應(yīng)的俯仰力矩越大。

2.3 垂向特性

同理，使實驗臺車架位移按照正弦曲線變化，位移幅值為0.03 m，頻率為2 Hz(車架在平衡位置以下時位移值為正，車架在平衡位置以上時位移值為負(fù))，檢測AMESim中車架垂向位移和6個懸掛缸的輸出力，則可通過計算得到油氣懸掛系統(tǒng)垂向力F(垂向力向上為正，向下為負(fù))為：

F=F1+F2+F3+F4+F5+F6。

懸掛缸安裝角度分別為70°、80°、90°時，車架垂向位移與車架所受垂向力的關(guān)系圖如圖11所示。從圖11可知，在同一個運(yùn)動周期內(nèi)，由于阻尼孔及油管等產(chǎn)生的阻尼力作用，位移相等時，垂向力不相等;車架的速度方向相同時(即阻尼力方向相同時)，懸掛缸安裝角度越大，其對應(yīng)的垂向力越大。

3 結(jié)論

1)本文設(shè)計的實驗臺可以模擬車輛轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾運(yùn)動,剎車或啟動時的俯仰運(yùn)動，以及遭遇路面不平時的垂向運(yùn)動等，進(jìn)而分析在多種工況下油氣懸掛系統(tǒng)的特性。

2)實驗臺上設(shè)計的滑臺可調(diào)節(jié)懸掛缸的安裝角度，即懸掛缸軸線與車軸之間的夾角夾角,調(diào)節(jié)范圍65°～90°，從而研究懸掛缸安裝角度對懸掛系統(tǒng)性能的影響，這對油氣懸掛缸在實際車輛上的安裝具有一定的指導(dǎo)意義。

3)通過ADAMS和AMESim的聯(lián)合仿真，驗證了設(shè)計的合理性與可行性，并對整車油氣懸掛系統(tǒng)的性能有了初步的了解，可以為進(jìn)一步的實驗研究提供參考。